IX. LA FUSI�N CATALIZADA POR MUONES

UNA VEZ revisados los diferentes m�todos existentes para tratar de conseguir la fusi�n termonuclear controlada, falta por tratar el que no tiene como base lo termonuclear. Este otro enfoque no emplea la energ�a t�rmica de las part�culas para que dos n�cleos se junten y se fusionen, por lo que hace innecesarias las altas temperaturas; de hecho, se puede dar a la temperatura ambiente, por lo que se le llama tambi�n fusi�n fr�a. Como ya mencionamos, la posibilidad de producir fusi�n fr�a viene de la existencia de una part�cula elemental de la familia del electr�n llamada muon o mes�n-m. Los muones no aparecen como constituyentes de la materia como los electrones, pues son part�culas inestables que tienen un tiempo de vida muy corto, y por lo tanto decaen poco despu�s de haberse formado. El muon aparece al decaer otra part�cula subnuclear llamada pion o mes�n, p . El pion es la part�cula que transmite las fuerzas nucleares de un nucle�n a otro, en forma semejante a como los fotones transmiten las fuerzas electromagn�ticas. Como part�cula libre decae r�pidamente, dando lugar a un muon. Los muones se encuentran de manera natural en los rayos c�smicos secundarios, ¹⁸ sobre todo a nivel del mar, pues interact�an muy poco con la materia, y pueden atravesar toda la atm�sfera sin perderse. Tambi�n pueden crearse artificialmente haciendo chocar un haz de iones energ�ticos con un material cualquiera. Hay muones positivos y negativos, ambos con las mismas caracter�sticas. Su masa es 207 veces la masa del electr�n, y la magnitud de su carga igual a la del electr�n. Su tiempo de vida es muy corto, tan s�lo 2.2 microsegundos, despu�s de lo cual decae en un electr�n (o positr�n, seg�n la carga del muon), un neutrino (otra part�cula de la familia del electr�n pero neutra y aparentemente sin masa) y un antineutrino (part�cula con propiedades opuestas al neutrino). El muon negativo es el que permite tener fusi�n catalizada.

La idea de la cat�lisis por muones consiste en introducir estas part�culas en una c�mara que contiene un gas de deuterio y tritio, form�ndose mol�culas sumamente compactas en las que la separaci�n entre dos n�cleos es muy peque�a. Estos n�cleos, entonces, se pueden fusionar expulsando los muones que los manten�an juntos, los cuales pueden ir a catalizar otras reacciones de fusi�n. El gran problema resulta de la vida tan corta de los muones, pues antes de decaer deben de ser capaces de catalizar suficientes reacciones como para que m�nimamente se recupere la energ�a invertida en crearlos, lo cual es dif�cil. La fusi�n catalizada no est� limitada a la temperatura ambiente; tambi�n puede darse en hidr�geno l�quido o s�lido, estados que se alcanzan a temperaturas extremadamente bajas (-260�C = 13 �K), o en gases muy calientes, pero que no est�n totalmente ionizados. De hecho, la mayor eficiencia se tiene a altas temperaturas (900� C). Se cree que el uso de los muones como catalizadores de fusi�n s�lo ser� �til en la reacci�n deuterio-tritio, pues las otras son demasiado lentas para el tiempo de vida del muon. En este enfoque la cantidad que equivale al tiempo de confinamiento de energ�a usado en fusi�n termonuclear, es el tiempo de vida media del muon, pues es �ste el que limita la producci�n de energ�a. Como este tiempo es fijo, una condici�n an�loga al criterio de Lawson se debe establecer sobre el n�mero de reacciones catalizadas por muon.

Para entender el proceso de fusi�n catalizada describiremos las etapas por las que pasan las mol�culas y los muones desde que �stos son introducidos hasta que se da la fusi�n. Antes de la aparici�n de los muones se tienen mol�culas ordinarias, formadas por dos n�cleos unidos por electrones que giran alrededor de ellos. En una mezcla de deuterio y tritio algunas mol�culas consisten de dos �tomos de deuterio, algunas otras dedos �tomos de tritio y otras de un �tomo de deuterio y uno de tritio. La separaci�n de equilibrio entre los n�cleos es muy grande (unas 30 000 veces el radio del n�cleo), y est� determinada por el tama�o de las �rbitas de los electrones. Al ser introducido un muon negativo que viaja gran velocidad (como aparece al ser creado) se va frenando debido a las colisiones con los electrones de las mol�culas. Por lo regular, los choques sacan a los electrones de sus �rbitas, de modo que cuando ya los muones se mueven lo suficientemente lento, son capturados por las m�l�culas, ocupando el lugar de los electrones. La diferencia es que la �rbita del muon es m�s peque�a, puesto que su tama�o, de acuerdo a la din�mica at�mica, es inversamente proporcional a la masa de la part�cula orbitante, por lo que el muon gira 200 veces m�s cerca del n�cleo que el electr�n. As�, al ser capturado el muon, �ste empieza a girar alrededor de uno de los n�deos muy cerca de �l, y esta uni�n se separa del otro n�cleo, con lo que la mol�cula se rompe y el muo�tomo (n�cleo m�s muon) queda libre. El n�cleo del muo�tomo puede ser de deuterio o de tritio, pero como el tritio es m�s masivo, liga mejor al muon, as� que normalmente los muones atrapados por el deuterio son transferidos a los n�cleos de tritio en las colisiones. Toda la etapa, desde la introducci�n de los muones hasta la formaci�n de los muo�tomos de tritio, tarda menos de un mil�simo de la vida del muon.

En la segunda etapa, los muo�tomos, que se comportan como una sola part�cula neutra, penetran las nubes de electrones de las mol�culas, y al acercarse al n�cleo de deuterio de ellas se combinan para formar muomol�culas ionizadas; la particularidad de �stas es que, al ser las �rbitas de los muones mucho m�s peque�as que las de los electrones, la separaci�n entre los n�cleos es menor por un factor igual a la raz�n de las masas, o sea, unas 200 veces. Aunque la distancia entre los n�cleos de deuter�o y tritio es todav�a del orden de 100 veces el radio del n�cleo, ya puede ser importante el efecto de penetraci�n de barrera mencionado en el cap�tulo II, y producirse la fusi�n. En la figura 31 se muestra esquem�ticamente el ciclo de reacci�n de un muon.

Figura 31. Esquema del ciclo de reacci�n de un muon al actuar como catalizador. Primero forma muo�tomos (md o mt) que luego se combinan para crear muomol�culas, en las que se produce la reacci�n de fusi�n, y el muon puede quedar libre (no siempre) para volver a repetir el ciclo.

El ion muomolecular compacto puede quedar alojado dentro de la mol�cula ordinaria, quedando en el lugar del n�cleo con el que se combin�. As� los electrones mantendr�n unidos al ion muomolecular y al n�cleo restante. La presencia de los electrones de la mol�cula es esencial para la formaci�n de la muomol�cula pues absorben la energ�a de la que necesita deshacerse esta �ltima para quedar estable. El exceso de energ�a es debido a la energ�a de enlace entre los n�cleos, que es an�loga a la que se tiene entre los nucleones dentro de un n�cleo, como se describi� en el cap�tulo II, pero de mucho menor magnitud. El problema con este mecanismo de formaci�n es que es demasiado lento, y s�lo le da tiempo a un muon de catalizar una sola reacci�n antes de decaer. Afortunadamente, se descubri� que existe otro mecanismo de formaci�n de la muomol�cula mucho m�s r�pido, y que puede darse bajo ciertas condiciones; consiste en seleccionar las energ�as de las part�culas del gas de modo que la energ�a de enlace de la muomol�cula pueda ser absorbida por la vibraci�n de la mol�cula anfitriona. La vibraci�n de una mol�cula es como si los dos n�cleos (o en nuestro caso, un n�cleo y el ion muomolecular) estuvieran unidos por un resorte, con la diferencia de que, seg�n la mec�nica cu�ntica, solamente pueden oscilar en ciertas frecuencias espec�ficas. Por lo tanto, para que el exceso de energ�a pueda ser absorbido por la vibraci�n, debe de coincidir con alguno de los estados de oscilaci�n permitidos, para lo cual el muo�tomo y el n�cleo de deuterio deben tener las energ�as cin�ticas apropiadas, que se pueden ajustar por medio de la temperatura del gas.

Esta manera de absorci�n de energ�a se llama resonante, porque se da cuando se iguala un valor espec�fico de la energ�a de oscilaci�n. Inicialmente se pensaba que la absorci�n resonante no era posible porque la energ�a de enlace de la muomol�cula es mucho mayor que las energ�as de vibraci�n de una mol�cula ordinaria. Sin embargo, posteriormente se encontr� que existe un estado de enlace muy d�bil en la muomol�cula, con energ�a comparable a la de la vibraci�n, y �ste es el que adopta cuando se forma. La muomol�cula ionizada as� formada tiene sus n�cleos muy separados por tener un enlace d�bil, pero inmediatamente cae a un estado bien ligado, de mayor energ�a, con los n�cleos m�s juntos. El exceso de energ�a entre los dos estados se lo llevan los electrones. Todo el proceso es relativamente r�pido, pudi�ndose lograr que un muon sea capaz de catalizar unas 150 reacciones antes de decaer. Con estas cifras es posible pensar en llegar a obtener suficiente energ�a de las fusiones, como para reponer la que se invierte en crear los muones (que es bastante) y tener todav�a un exceso grande disponible para cualquier uso.

Hay a�n otro obst�culo en el camino hacia la producci�n eficiente de energ�a. Cuando los n�cleos de la muomol�cula reaccionan, los productos de la fusi�n, que son una part�cula a y un neutr�n, se escapan a gran velocidad de la mol�cula anfitriona, mientras que el muon queda generalmente libre para catalizar m�s reacciones. Sin embargo, en algunas ocasiones, las part�culas a capturan al muon, formando una especie de muo�tomo de helio ionizado, con lo cual el muon ya no puede catalizar m�s reacciones. Cuando el muon queda atrapado, todav�a hay posibilidades de que se libere a trav�s de las colisiones con otras mol�culas del gas, ya que el muo�tomo de helio se mueve r�pidamente. Se ha encontrado experimentalmente que una fracci�n considerable (de 30 a 40%) de los muones que inicialmente se unen a una part�cula a, son arrancados por choques, y pueden continuar con el ciclo de reacciones. Los que permanecen ligados despu�s de que el ion muoat�mico de helio se ha frenado hasta llegar a la velocidad t�rmica, ya no pueden ser utilizados. Hasta el momento no se sabe bien cu�l es la probabilidad de que un muon quede atrapado por una part�cula a y de que permanezca unido a ella, ya que el proceso todav�a no est� bien entendido te�ricamente, y adem�s los c�lculos son muy complejos. Algunas de las predicciones te�ricas que se han hecho difieren de los valores experimentales.

La frecuencia con la que se pierden los muones de la cadena de reacciones es la que finalmente determinar� si el proceso de fusi�n catalizada puede ser eficiente o no. Recientemente se ha podido reconciliar en cierta medida la teor�a con los experimentos (en especial a baja densidad), obteni�ndose que puede haber m�s de 150 cat�lisis por muon, en promedio, tomando ya en cuenta los muones que se pierden definitivamente. Estos n�meros dependen de la densidad, la temperatura y la proporci�n de deuterio a tritio en el gas. Los experimentos actuales usan densidades semejantes a la densidad del deuterio l�quido, pero si se aumentan el n�mero de reacciones crece. Se espera que en un nuevo experimento de alta densidad que se est� construyendo se llegue a tener aproximadamente 300 reacciones por muon. Aunque es un n�mero considerable, podr�a no ser todav�a suficiente para recuperar la energ�a usada en los aceleradores de part�culas que se emplean para crear los muones; con los m�todos actuales de creaci�n de muones se necesitar�an alrededor de 1000 reacciones por muon, para empezar a ganar energ�a. Por el momento parece necesario hacer dos cosas para dar esperanzas a la fusi�n fr�a. 1) mejorar la eficiencia de producci�n de muones para bajar los requerimientos sobre el n�mero de catalizaciones por muon; o 2) encontrar mecanismos para disminuir la frecuencia de adhesi�n del muon a la part�cula a, y as� aumentar el n�mero de catalizaciones por muon; con respecto a esto �ltimo, se est� estudiando la influencia de un campo magn�tico sobre la captura de muones que podr�a ser una manera de disminuirla.

Una propuesta de reactor comercial de fusi�n fr�a que puede construirse con la tecnolog�a actual consiste en un recipiente de reacci�n lleno de un gas de deuterio y tritio. Los muones se crean dirigiendo un haz de iones, proveniente de un acelerador de part�culas, hacia un blanco hecho de una substancia como el carbono o el litio. El haz resultante de muones se introduce en el recipiente y aquellos empiezan a catalizar reacciones de fusi�n. El helio producido por las reacciones se extrae con un purificador, mientras que los neutrones llegan a las paredes y chocan con un cobertor de litio, donde depositan su energ�a y adem�s producen tritio. El tritio es conducido nuevamente hacia el interior del recipiente para ser utilizado en reacciones posteriores. El calor generado en el cobertor se retira por medio de un enfriador y se utiliza para activar turbinas y generadores de electricidad. Parte de esta electricidad se utilizar�a para hacer funcionar los aceleradores de iones, y los dem�s aparatos del reactor, y el resto se podr� distribuir al p�blico. Una variante de este esquema es que los iones del haz primario se introduzcan directamente dentro del recipiente de reacci�n, donde producir�an piones que ser�an confinados por un espejo magn�tico en la misma c�mara, y generar�an los muones. De esta manera no ser�a necesario transportarlos del acelerador al recipiente. Adem�s, los muones tambi�n se confinar�an magn�ticamente minimiz�ndose as� sus p�rdidas, y reducir�a la energ�a de creaci�n por muon.

En el estado actual de investigaci�n sobre la fusi�n catalizada por muones, parece dif�cil quede este modo se pueda lograr un m�todo eficiente de producci�n de energ�a, pues se necesitan mejoras substanciales en los par�metros obtenidos hasta ahora. Sin embargo, no puede descartarse como alternativa viable, porque las mejoras en los aceleradores y la b�squeda de mecanismos para aumentar el n�mero de reacciones por muon, pueden llegar a resolver los problemas en alg�n momento. Tambi�n se ha propuesto el uso de reactores h�bridos de fusi�n-fisi�n (que son descritos en el �ltimo cap�tulo de este libro) catalizados por muones para alcanzar una ganancia positiva de energ�a.